电动转向器的原理与构造

第一章 绪论

1.1 汽车转向系统概述

汽车转向器是汽车的一个重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的转向特性、转向可靠性和驾驶员的操纵手感。纵观转向器的发展历程，可分为机械转向和动力转向阶段，而动力转向又可分为液压式、气压式和电动式。其中机械转向系统是依靠驾驶员操作转向盘的转向力来实现车轮转向；动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机的液体压力或者电动机驱动力来实验车轮转向。

目前，在汽车上广泛采用的机械式转向器有循环球式和齿轮齿条式两种，其中循环球式转向器具有承载能力大、操纵方便、使用寿命长等优点，广泛应用于后轮驱动的中、重型载货车上。齿轮齿条式转向器具有转向轻便、尺寸紧凑、结构轻巧、效率高等优点但承载能力稍差，适用于前轮驱动的轿车和后轮驱动的轻型车上。但是机械式转向器无法兼顾操纵省力和转向灵敏这两个互相矛盾的要求，因而动力转向系统的应用数量日趋增加。

液压动力转向系统是目前国内、外轿车中应用最普及的转向器。它经过几十年的发展无论是在技术上还是在性能上都较为完善和成熟，具有较高的稳定性和可靠性，能量密度高，可通过改变缸径或油压的大小来改变助动力矩的高低。它由液压泵作为动力源，经供油管道控制阀向动力油缸供油，通过活塞杆带动转向机构动作，由此达到转向助力的作用。液压助力转向系统又可以分为常压式和常流式两种基本类型。常压式液压助力转向系统只被少数的重型汽车所采用，而常流式液压助力转向系统广泛用于各种汽车上。在采用气压制动或空气悬架的大型车辆上，也有采用气动动力转向的。这类动力转向系统的共同缺点是结构复杂、消耗功率大，容易产生泄漏，转向力不易有效控制等。

近几年随着微机在汽车上的广泛应用，出现了电动式电子控制动力转向系统（以下简称EPS）。电动助力转向所用的电动机直接提供助力，助力大小由电控单元(ECU)控制。它能节约燃料，提高主动安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的高新技术，具备了以往转向器所无法达到的性能。

与液压动力系统相比，电动助力转向系统有如下特点：

(1) EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向

系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。

(2) EPS能耗降低,它只在转向时电动机才提供助力(不像HPS，即使在不转向

时，油泵也一直运转)，因而能减少燃料消耗。

(3) 由于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此EPS能否助力与

发动机是否起动无关，即使在发动扔熄火或出现故障时也能提供助力。 (4) EPS取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件

比HPS大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。

(5) EPS没有液压回路，比HPS更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且

可以通过设置不同的程序，能快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。

(6) EPS不存在渗油问题，可大大降低保修成本，不存在对环境的污染。 (7) EPS比HPS具有更好的低温工作性能。《汽车电动助力转向技术的发展现状

与趋势》

(8) 系统安全保护。当电动助力转向系统出现故障时，即切断电动机与减速传

动机构的动力传送，迅速转入人工－机械转向状态。《电子控制式电动助力转向系统的开发前景》

1.2电动助力转向技术发展的国内外状况

EPS最先应用在日本的微型轿车上。1998年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备EPS，随后还用在了其Alto车上。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi汽车系统公司、TRW公司，德国的ZF公司，都相继研制出各自的EPS。比如：大发汽车公司在其Min车上装备了EPS，三菱汽车公司则在其Minica车上装备了EPS；本田汽车公司的Accord车目前已经选EPS，S2000轿车的动力转向也将倾向于选择EPS；Delphi汽车系统公司已经为大众的PoIo、欧宝的318i以及菲亚持的Runlo开发出EPS。

TRW从1998年开始，便投入了大量人力、物力和财力用于EPS的开发。他们最初针对客车开发出转向柱助力式EPS，如今小齿轮助力式EPS开发也已获成功。1999年3月，他们的EPS已经装备在轿车上，如Ford Foesta和Mazda 323F 等。Mercedes—Benz 和Siemens Automotive 两大公司共同投大量资金用于开发EPS。他们计划开发出适用于汽车前桥负荷超过1200kg的EPS，因此货车也将可能成为EPS的装备目标。

从第一个EPS的出现到现在，EPS经过20了几年的发展，其技术日趋完善。应用范围已经从最初的微型轿车向更大型轿车和商用客车方向发展，如本田的Accord和菲亚特的Punto等中型轿车已经安装EPS，本田甚至还在其Acyra NSX赛车上装备了EPS。EPS的助力型式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期的EPS仅仅在低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。如铃木公司装备在Wagon R＋车上的EPS是一个负载－路面－车速感应型助力转向系统。由Delphi为Punto车开发的EPS属全速范围助力型，并且首次设置了两个开关，其中一个用于郊区，另一个用于市区和停车。当车速大于70km/h后，这两种开关设置的程序则是一样的，以保证汽车在高速时有合适的路感。这样即使汽车行驶到高速公路时驾驶员忘记切换开关也不会发生危险。市区型开关还与油门相关，使得在踩油门加速和松油门减速时，转向更平滑。

目前，EPS在国内还处于开发阶段，只有为数不多的几所高校从事这方面的研究工作，此外还有一些厂家对制造EPS处于探索阶段，但没有成熟的产品。EPS的优点以及它不断扩大的市场正使得国内的专家、学者以及有关企业对EPS产生越来越浓厚的兴趣，并将成为国内汽车技术发展的一个热点。 1.3 电子控制单元ECU的现状与发展动态

电子控制单元ECU是EPS的一个核心部件，它正随着汽车电子技术的不断发展而逐步完善，并且出现了许多新的方向。

ECU是汽车电子控制系统的一个部分。汽车电子控制系统包括硬件和软件，硬件有电子控制单元（ECU－Electronic Control Unit）及其接口、执行机构、传感器等；软件则存储在ECU中支配电子控制系统，完成实时测控功能，包括各

种数据采集、计算处理、输出控制、系统监控与自诊断等。围绕单片机设计组织的ECU是整个电子控制系统的核心，使用了从普通电路到大规模集成电路等各种器件，结构简单、可靠，可以灵活方便地适应需求变化，迅速开发信的功能投入市场。随着汽车电子化程度的进一步提高和微电子技术的迅速发展，ECU的控制功能也在不断增强，并逐渐由单一控制向集中控制方向发展。

汽车上大部分控制系统中ECU的电路结构大同小异，其中控制功能的变化则主要依赖于软件及输入输出模块的变化，随控制系统的所完成的功能的不同而不同。ECU的基本体系结构如图1.1所示，由输入电路、微处理器、输出电路等四

【2】个部分组成。

输入 模拟信号 A/D ECU

微处理器 输出处理 输出 电磁阀 数字信号 输入处理 电机 电源 电源电路 指示灯 图 1.1 ECU的基本组成

目前，从动力传动总成控制、底盘控制、车身控制到信息与通讯控制，电子产品几乎覆盖了整个汽车。随着汽车上实现相对独立功能的部件控制系统的增加，较多的ECU、传感器和执行机构带来了布线困难、尺寸大，为故障诊断和系统维护带来了不便，整个系统的可靠性也因此而降低。为了使汽车各个控制系统的控制系统的功能达到最优协调与匹配，减少传感器的使用数量，最近已经开始采用系统工程和机电一体化的设计方法，采用计算机网络技术，通过数据总线将各个ECU联结在一起，产生了汽车综合电子控制系统，由此可充分地利用车内空间和现有的电子控制功能，避免了控制功能的重复，简化了布线和安装，改善了故障诊断能力，同时也提高了系统的可靠性和可维护性。这种系统实质上是一种分布式计算机网络，虽然各个ECU基本上进行独立控制，完成各自的特定功能，但通过数据总线相互通讯来共享信息和资源。这样不仅降低了成本，也增加了汽

【2】

车电子控制系统的一致性，并可以产生许多心得控制功能。

此外，ECU需要先进的控制策略来支持。自动控制理论作为理论基础是汽车电子控制技术中的难点和重点，先进的控制策略必须选用合适的控制理论来支持。合适于单输入、线性定常系统的经典控制理论，特别是控制参数易于调整的PID控制理论方法，在汽车电子控制系统中已经取得了广泛应用。ECU的发展有待于新的控制理论的应用。 1.4 本文研究的主要内容及研究方法

电动助力转向系统（EPS）的电子控制单元（ECU）是整个EPS的重要组成部分，也是关键技术之一。由前文的分析可知，虽然国外许多汽车公司在他们的产品上已经安装了EPS系统，但是这一技术在国内尚处在开发阶段，目前，只有为数不多的几所高校从事这方面的研究工作。研制ECU正是使EPS国产化的一条必经之路。本文提出EPS系统的模型，设计并制作了ECU，以及利用软件实现了对EPS的控制策略，同时通过大量的试验数据来分析系统了助力特性。

其主要工作如下：

（1） 建立EPS的数学模型。

（2） 设计了ECU的硬件原理图，制作了PCB电路板。 （3） 利用汇编语言实现了PID控制和系统所有的监控程序。 （4） 完成软件和硬件的调试工作。

（5） 设计并搭建了EPS试验台，并对EPS系统的助力特性进行了分析测

试。

【2】